1.1 塑模设计简介

本节描述了塑料模具设计的基本知识，包括注塑（也称注射）成型工艺、注塑成型件的结构工艺性、注塑模具的基本结构，以及模具设计的流程过程。

1.1.1 注射成型工艺

注射成型又称注射模具，是热塑性塑料制件的一种主要成型方法。除个别热塑性塑料外，几乎所有的热塑性塑料都可用此方法成型。近年来，注射成型已成功地用来成型某些热固性塑料制件。

注射成型可成型各种形状的塑料制件，它的特点是成型周期短，能一次成型外形复杂、尺寸精密、带有嵌件的塑料制件，且生产效率高，易于实现自动化生产，所以被广泛用于塑料制件的生产中，但注射成型的设备及模具制造费用较高，不适合单件及批量较小的塑料制件的生产。

注射成型所用的设备是注射机。目前注射机的种类很多，但普遍采用的是柱塞式注射机和螺杆式注射机。注射成型所使用的模具即为注射模（也称注塑模）。如图1-1所示为注射成型工作循环。

1.注射成型工艺原理

注射成型的原理是将颗粒或粉状塑料从注射机的料斗送进加热的料筒中，经过加热熔化成为黏流态熔体，在注射机柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过喷嘴注入模具型腔，经一定时间的保压、冷却、定型后，可保持模具型腔所赋予的形状，然后开模分型获得成型塑件。这样就完成了一次注射工作循环，如图1-2所示。

2.注射成型过程

注射过程一般包括：加料、塑化、充模、保压补缩、倒流、冷却和脱模等。

（1）加料：将粒状或粉状塑料原料加入到注射机料斗中，并由柱塞或螺杆带入料筒。

（2）塑化：加入的塑料在料筒中经过加热、压实和混料等过程，使其由松散的原料转变成熔融状态，并具有良好的可塑性。

（3）充模：塑化好的熔体被柱塞或螺杆推挤至料筒前端，经过喷嘴、模具浇注系统进入并充满模具型腔。

（4）保压补缩：这一过程从塑料熔体充满型腔时起，至柱塞或螺杆退回时为止。在该段时间里，模具中的熔体冷却收缩，柱塞或螺杆迫使料筒中的熔料不断补充到模具中，以补充因收缩而出现的空隙，保持模具型腔内的熔体压力仍为最大值。该过程对于提高塑件密度，保证塑件形状完整、质地致密，克服表面缺陷有重要意义。

（5）倒流：保压后，柱塞或螺杆后退，型腔中压力解除，这时型腔中的熔料的压力将比浇口前方的高，如果浇口尚未冻结，型腔中的熔料就会通过浇口流向浇注系统，这一过程称为倒流。倒流使塑件产生收缩、变形及质地疏松等缺陷。如果保压结束时浇口已经冻结，就不会存在倒流现象。

（6）冷却：塑件在模具内的冷却过程是指从浇口处的塑料熔体完全冻结时起，到塑件将从模具型腔内推出为止的全部过程。实际上冷却过程从塑料注入型腔时就开始了，它包括从充模完成（保压开始）到脱模前的这一段时间。

（7）脱模：塑件冷却到一定的温度即可开模，在推出机构的作用下将塑件推出模外。

1.1.2 塑件结构工艺性

塑件设计不仅要考虑使用要求，而且要考虑塑料的结构工艺性，尽可能使模具结构简化。因为这样不但可以使成型工艺稳定，保证塑件的质量，还可使生产成本降低。在进行塑件结构设计时，可考虑如下设计原则：

（1）在保证塑件的使用性能、物理化学性能、电性能和耐热性能的前提下，尽量选用价格低廉和成型性好的塑料，并力求结构简单、壁厚均匀和成型方便；

（2）在设计塑件结构时应考虑模具结构，使模具型腔易于制造，模具抽芯和推出机构简单；

（3）设计塑件应考虑原料的成型工艺性，塑件形状应有利于分型、排气、补缩和冷却。

塑件的内外表面形状应在满足使用要求的情况下尽可能易于成型。由于侧抽芯和瓣合模不仅会使模具结构复杂、制造成本提高，还会在分型面上留下飞边，增加塑件的修整量。因此，塑件设计时可适当改变塑件的结构，尽可能避免侧孔与侧凹，以简化模具的结构。

当塑件内的侧凹较浅并允许带有圆角时，可以用整体凸模采取强制脱模的方法使塑件从凸模上脱下。但此时塑件在脱模温度下应具有足够的弹性，以使塑件在强制脱下时不会变形，如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等就能适应这种情况。塑件外侧凹凸也可以强制脱模。但是，多数情况下塑件的侧向凹凸不可以强制脱模，此时应采用侧向分型抽芯结构的模具。

1.1.3 注塑模具结构

注射模的分类方法很多，按加工塑料的品种可分为热塑性塑料注射模和热固性塑料注射模；按注射机类型可分为卧式、立式和角式注射机用注射模；按型腔数目可分为单型腔注射模和多型腔注射模；通常是按注射模的总体结构特征来分，如下所述。

（1）单分型面注射模：只有一个分型面，也叫两板式注射模。

（2）双分型面注射模：与单分型面注射模相比，增加了一个用于取浇注系统凝料的分型面。

（3）斜导柱侧向分型与抽芯注射模：当塑件上带有侧孔或侧凹时，在模具中要设置由斜导柱或斜滑块等组成的侧向分型抽芯机构，使侧型芯作横向运动。

（4）带有活动成型零部件的注射模：在脱模时可与塑件一起移出模外，然后与塑件分离。

（5）自动卸螺纹注射：在动模上设置能够转动的螺纹型芯或螺纹型环，利用开模动作或注射机的旋转机构，又或设置专门的传动装置，带动螺纹型芯或螺纹型环转动，从而脱出塑件。

（6）热流道注射模：利用加热或绝热的办法使浇注系统中的塑料始终保持熔融状态，在每次开模时，只需取出塑件即可。

1.单分型面注射模的组成

如图1-3所示，根据注射模各个零部件所起的作用，可将该注射模分为如下几个部分。

1）成型零部件

模具中用于成型塑料制件的空腔部分称为模腔。构成塑料模具模腔的零件统称为成型零部件。由于模腔是直接成型塑料制件的部分，因此模腔的形状应与塑件的形状一致，模腔一般是由型腔零件、型芯组成的。如图1-3所示的模具型腔是由型腔（定模板）、型芯、动模板和推杆组成的。

● 定模板（零件2）的作用是开设型腔，成型塑件外形。

● 型芯（零件7）的作用是用来成型塑件的内表面。

● 动模板（零件1）的作用是固定型芯和组成模腔。

● 推杆（零件18）的作用是开模时推出塑件。

2）浇注系统

将塑料由注射机喷嘴引向型腔的流道称为浇注系统，浇注系统分主流道、分流道、浇口和冷料穴4个部分。如图1-3所示的模具浇注系统是由浇口套、拉料杆和定模板上的流道组成的。

● 浇口套（零件6）的作用是形成浇注系统的主流道。

● 拉料杆（零件15）的前端作为冷料穴，开模时拉料杆将主流道凝料从浇口套中拉出。

3）导向机构

为确保动模与定模合模时准确对正而设置导向零件，通常有导向柱、导向孔或在动模板和定模上分别设置互相吻合的内外锥面。如图1-3所示，模具导向系统由导柱和导套组成。

● 导柱（零件8）的作用是合模时与导套配合，为动模部分和定模部分导向。

● 导套（零件9）的作用是合模时与导柱配合，为动模部分和定模部分导向。

4）推出装置

推出装置是在开模过程中，将塑件从模具中推出的装置。有的注射模具的推出装置为避免在顶出过程中推出板歪斜，还设有导向零件，使推板保持水平运动。如图1-3所示的模具推出装置由推杆、推板、推杆固定板、复位杆、主流道拉料杆、支撑钉、推板导柱和推板导套组成。

● 推杆（零件18）的作用是开模时推出塑件。

● 推板（零件13）的作用是注射机顶杆推动推板，推板带动推杆推出塑件。

● 推杆固定板（零件14）的作用是固定推杆。

● 复位杆（零件19）的作用是合模时，带动推出系统后移，使推出系统恢复原始位置。

● 支撑钉（零件12）的作用是使推板与动模座板间形成间隙，以保证平面度，并有利于废料、杂物的去除。

● 推板导套（零件17）的作用是与推板导柱配合，为推出系统导向，使其平稳推出塑件，同时起到保护推杆的作用。

5）温度调节和排气系统

为了满足注射工艺对模具温度的要求，模具设有冷却或加热系统。冷却系统一般为在模具内开设的冷却水道，加热系统则为模具内部或周围安装的加热元件，如电加热元件。如图1-3所示的模具冷却系统由冷却水道和水嘴组成。

在注射成型过程中，为了将型腔内的气体排出模外，常常需要开设排气系统。常在分型面处开设排气槽，也可以利用推杆或型芯与模具的配合间隙实现排气。

6）结构零部件

用来安装、固定或支撑成型零部件及前述的各部分机构的零部件。支撑零部件组装在一起，可以构成注射模具的基本框架。如图1-3所示的模具结构零部件由定模座板、动模座板、垫板和支撑板组成。

● 定模座板（零件4）的作用是将定模座板和连接于定模座板的其他定模部分安装在注射机的定模板上，定模座板比其他模板宽25～30mm，便于用压板或螺栓固定。

● 动模座板（零件10）的作用是将动模座板和连接于动模座板的其他动模部分安装在注射机的动模板上。动模座板比其他模板宽25～30mm，便于用压板或螺栓固定。

● 垫板（零件20）的作用是调节模具闭合高度，形成推出机构所需的推出空间。

● 支撑板（零件11）的作用是注射时用来承受型芯传递过来的注射压力。

2.单分型面注射模的工作过程

单分型面注射模的一般工作过程为：模具闭合→模具锁紧→注射→保压→补缩→冷却→开模→推出塑件。下面以图1-3为例来讲解单分型面注射模的工作过程。

在导柱和导套的导向定位下，动模和定模闭合。型腔零件由定模板、动模板和型芯组成，并由注射机合模系统提供的锁模力锁紧。然后注射机开始注射，塑料熔体经定模上的浇注系统进入型腔，待熔体充满型腔并经过保压、补缩和冷却定型后开模。开模时，注射机合模系统带动动模后退，模具从动模和定模分型面分开，塑件包在型芯上随动模一起后退，同时，拉料杆将浇注系统的主流道凝料从浇口套中拉出。当动模移动一定距离后，注射机的推出机构开始动作，使推杆和拉料杆分别将塑件及浇注系统凝料从型芯和冷料穴中推出，塑件与浇注系统凝料一起从模具中落下，至此完成一次注射过程。合模时，推出机构靠复位杆复位，并准备下一次注射。

1.1.4 注射模具设计步骤

SolidWorks/IMOLD协助我们完成的是注射模具的结构设计过程，是整个注射模具设计过程的一个重要组成部分。

1.设计前的准备工作

模具的设计者应以设计任务书为依据设计模具，模具设计任务书通常由塑料制品生产部门提出，任务书包括如下内容。

（1）经过审签的正规塑件图纸，并注明所采用的塑料牌号、透明度等。若塑件图纸是根据样品测绘的，最好能附上样品。因为样品除了比图纸更为形象和直观外，还能给模具设计者许多有价值的信息，如样品所采用的浇口位置、顶出位置、分型面等。

（2）塑件说明书及技术要求。

（3）塑件的生产数量及所用注射机。

（4）注射模的基本结构、交货期及价格。

明确需求后，在模具设计之前，设计者应注意以下几点。

1）熟悉塑件

● 熟悉塑件的几何形状：对于没有样品的复杂塑件图纸，要借助于徒手画轴侧图或计算机建模方法，在头脑中建立清晰的塑件三维图像，甚至可以用橡皮泥等材料制出塑件的模型，以熟悉塑件的几何形状。

● 明确塑件的使用要求：塑件的几何形状完全熟悉后，塑件的用途及各部分的作用也是相当重要的，应当密切关注塑件的使用要求。注意为了满足使用要求而设计的塑件尺寸公差和技术要求。

● 注意塑件的原料：塑料具有不同的物理化学性能、工艺特性和成型性能，应注意塑件的塑料原料，并明确所选塑料的各种性能，如材料的收缩率、流动性、结晶性、吸湿性、热敏性和水敏性等。

2）检查塑件的成型工艺性

检查塑件成型工艺性，以确认塑件的材料、结构和尺寸精度等方面是否符合注射成型的工艺性条件。

3）明确注射机的型号和规格

在设计前要根据产品和工厂的情况，确定采用什么型号和规格的注射机，这样在模具设计中才能有的放矢，正确处理好注射模和注射机的关系。

2.制定成型工艺卡

将准备工作完成后，就应制定出塑件的成型工艺卡。尤其对于批量大的塑件或形状复杂的大型模具，更有必要制定详细的注射成型工艺卡，以指导模具设计工作和实际的注射成型加工。

工艺卡一般应包括以下内容。

（1）产品的概况，包括简图、质量、壁厚、投影面积、外形尺寸、有无侧凹和嵌件等。

（2）产品所用的塑料概况，如品名、生产厂家、颜色、干燥情况等。

（3）所选的注射机的主要技术参数，如注射机可安装的模具最大尺寸、螺杆类型、额定功率等。

（4）压力与行程简图。

（5）注射成型条件，包括加料筒各段温度、注射温度、模具温度、冷却介质温度、锁模力、螺杆背压、注射压力、注射速度和循环周期（注射、固化、冷却、开模时间）等。

3.注射模具结构设计步骤

制定出塑件的成型工艺卡后，就应进行注射模具结构设计，其步骤如下。

1）确定型腔数目

确定型腔数目的条件有最大注射量、锁模力、产品的精度要求和经济性等。

2）选择分型面

分型面的选择应以模具结构简单、分型容易，且不破坏已成型的塑件为原则。

3）确定型腔的布置方案

型腔的布置应采用平衡式排列，以保证各型腔平衡进料。型腔的布置还要注意与冷却管道、推杆布置的协调问题。

4）确定浇注系统

浇注系统包括主流道、分流道、浇口和冷料穴。浇注系统的设计应根据模具的类型、型腔的数目、布置方式、塑件的原料及尺寸等确定。

5）确定脱模方式

脱模方式的设计应根据塑件留在模具的部分确定。由于注射机的推出顶杆在动模部分，所以，脱模推出机构一般都设计在模具的动模部分。因此，应设计成使塑件能留在动模部分。设计中，除了将较长的型芯安排在动模部分外，还常设计拉料杆，强制塑件留在动模部分。但也有些塑件的结构要求塑件在分型时，留在定模部分，在定模一侧设计推出装置。推出机构的设计也应根据塑件的不同结构设计出不同的形式，有推杆、推管和推板结构。

6）确定调温系统结构

模具的调温系统主要由塑料种类决定。模具的大小、塑件的物理性能、外观和尺寸精度都对模具的调温系统有影响。

7）确定凹模和型芯的固定方式

当凹模或型芯采用镶块结构时，应合理地划分镶块并同时考虑镶块的强度、可加工性及安装固定方法。

8）确定排气尺寸

一般注射模的排气可以利用模具分型面和推杆与模具的间隙；而对于大型和高速成型的注射模，必须设计相应的排气装置。

9）确定注射模的主要尺寸

根据相应的公式，计算成型零件的工作尺寸，决定模具型腔的侧壁厚度、动模板的厚度、拼块式型腔的型腔板的厚度及注射模的闭合高度。

10）选用标准模架

根据设计、计算的注射模的主要尺寸，来选用注射模的标准模架，并尽量选择标准模具零件。

11）绘制模具的结构草图

在以上工作的基础上，绘制注射模的完整的结构草图，绘制模具结构图是模具设计中十分重要的工作，其步骤为先画俯视图（顺序为画模架、型腔、冷却管道、支撑柱、推出机构），再画出主视图。

12）校核模具与注射机有关尺寸

对所使用的注射机的参数进行校核，包括最大注射量、注射压力、锁模力及模具的安装部分的尺寸、开模行程和推出机构的校核。

13）注射模结构设计的审查

对根据上述有关注射模结构设计的各项要求设计出来的注射模，应进行注射模结构设计的初步审查，并征得用户的同意。同时，也有必要对用户提出的要求加以确认和修改。

14）绘制模具的装配图

装配图是模具装配的主要依据，因此应清楚地表明注射模的各个零件的装配关系、必要的尺寸（如外形尺寸、定位圈直径、安装尺寸、活动零件的极限尺寸等）、序号、明细表、标题栏及技术要求。技术要求的内容为以下几项：

● 对模具结构的性能要求，如对推出机构、抽芯结构的装配要求。

● 对模具装配工艺的要求，如分型面的贴合间隙、模具上下面的平行度。

● 模具的使用要求。

● 防氧化处理、模具编号、刻字、油封及保管等要求。

● 有关试模及检验方面的要求。

如果凹模或型芯的镶块太多，可以绘制动模或定模的部件图，并在部件图的基础上绘制装配图。

15）绘制模具零件图

由模具装配图或部件图拆绘零件图的顺序为：先内后外，先复杂后简单，先成型零件后结构零件。

16）复核设计样图

注射模设计的最后审核是注射模设计的最后把关，应多关注零件的加工、性能。

4.注射模具的审核

由于注射模具设计直接关系到能否成型、产品的质量、生产周期及成本等许多至关重要的问题，因此，当设计完成后，应该进行审核，审核的内容如下。

1）基本结构方面

● 注射模的机构和基本参数是否与注射机匹配。

● 注射模是否具有合模导向机构，机构设计是否合理。

● 分型面选择是否合理，有无产生飞边的可能。塑件是否滞留在设有顶出脱模机构的动模（或定模）一侧。

● 型腔的布置与浇注系统的设计是否合理。浇口是否与塑料原料相适应，浇口位置是否恰当，浇口与流道几何形状及尺寸是否合适，流动比数值是否合理。

● 成型零部件设计是否合理。

● 顶出脱模机构与侧向分型或抽芯机构是否合理、安全、可靠。它们之间或它们与其他模具零部件之间有无干涉或碰撞的可能。

● 是否有排气机构，如果需要，其形式是否合理。

● 是否需要温度调节系统，如果需要，其热源和冷却方式是否合理。温控元件是否足够，精度等级如何，寿命长短如何，加热和冷却介质的循环回路是否合理。

● 支撑零部件结构是否合理。

● 外形尺寸能否保证安装，固定方式选择得是否合理可靠。安装用的螺栓孔是否与注射机动、定模固定板上的螺孔位置一致。

2）设计图纸方面

● 装配图：零部件的装配关系是否明确，代号标注得是否恰当合理。零件的标注是否齐全，与明细表中的序号是否对应，必要的说明是否具有明确的标记，整个注射模的标准化程度如何。

● 零件图：零件号、名称、加工数量是否有确切的标注，尺寸公差和形位公差标注是否合理齐全。成型零件容易磨损的部位是否预留了修磨量。哪些零件具有超高精度要求，这种要求是否合理。各个零件的材料选择是否恰当，热处理要求和表面粗糙度要求是否合理。

● 制图方法：制图方法是否正确，是否合乎国家有关标准，图面表达的几何图形与技术要求是否容易理解。

3）注射模设计质量

● 设计注射模时，是否正确地考虑了塑料原料的工艺特性、成型性能，以及注射机类型可能对成型质量产生的影响。对成型过程中可能产生的缺陷是否在注射模设计时采取了相应的预防措施。

● 是否考虑了塑件对注射模导向精度的要求，导向结构设计得是否合理。

● 成型零部件的工作尺寸计算是否正确，能否保证产品的精度，其本身是否有足够的强度和刚度。

● 支撑零部件能否保证模具具有足够的整体强度和刚度。

● 注射模设计时，是否考虑了试模和修模要求。

4）拆装及搬运条件方面

有无便于拆装时用的撬糟、装拆孔、牵引螺钉和起吊装置（如供搬运用的吊环或起重螺栓孔等），对其是否作出了标记。